Ülevaade võrguprotokollidest ja sõnumivahetusprotokollidest IoT jaoks

Tere, Habrid! Esimene IoT-arendaja online-kursus Venemaal algab OTUSes juba oktoobris. Kohe on avatud kursusele registreerimine, seetõttu jagame teiega kasulikke materjale.

Asjade Internet (IoT, Internet of Things) rajatakse olemasoleva võrgu infrastruktuuri, tehnoloogiate ja protokollide baasil, mida kasutatakse praegu kodudes/contoris ja Internetis, ning see pakub palju muud.

Käesoleva juhendi eesmärk on anda lühike ülevaade IoT jaoks mõeldud võrgu- ja rakendusp ما protokollidest.

Märkus. Teil peavad olema teadmised võrgutehnoloogia alustest.

IoT-võrgud

IoT saab töötada olemasolevates TCP/IP-võrkudes.

TCP/IP kasutab nelja tasandi mudelit, kus igal tasandil on kindlad protokollid. Vaata. understanding the TCP/IP 4 layer model (mõistame TCP/IP nelja tasandi mudelit).

Alloleval diagrammil on toodud võrdlus praegu kasutatavate protokollide ja nende vahel, mida tõenäoliselt IoT jaoks kasutatakse.

Märkused diagrammi kohta:

1. Fondieks suurus näitab protokolli populaarsuse astet. Näiteks on vasakul IPv4 suurem, kuna see on praegu Internetis palju populaarsem. Paremal on see aga väiksem, kuna oodatakse, et IPv6 saab olema populaarsem IoT-sektoris.

2. Kuwande ei ole näidatud kõiki protokolle.

3. Kanalite (tasemed 1 ja 2) ning rakenduskihtide (tase 4) tasemel on muutusi kõige rohkem.

4. Võrgutasemed ja transporttasemed jäävad tõenäoliselt muutumatuks.

Kanalite protokollid

Kanalitasandil (Andmeühenduse), peate seadmed omavahel ühendama. Need võivad olla nii lähedal, näiteks kohalikus võrgus (local networks), kui ka suurtel distantidel: linnavõrkudes (metropolitan area networks) ja ülemaailmsetes võrkudes (wide area networks).

Praegu kasutatakse kodu- ja kontorivõrkudes (LAN) sellel tasemel Ethernet'i ja Wi-Fi-d, mobiilvõrkudes (WAN) aga 3G/4G. Siiski on paljud IoT-seadmed madala energiatarbega, näiteks andurid, ja töötavad ainult patareide abil. Sellistes olukordades ei sobi Ethernet, kuid on võimalik kasutada madala energiatarbega Wi-Fi-d ja madala energiatarbega Bluetooth'i.

Kuigi nende seadmete ühendamiseks kasutatakse olemasolevaid traadita tehnoloogiaid (Wi-Fi, Bluetooth, 3G / 4G), tasub tähelepanu pöörata ka uutele tehnoloogiatele, mis on spetsiaalselt välja töötatud IoT-rakendustele, mille populaarsus tõenäoliselt kasvab.

Nende hulgas:

• BLE – Bluetooth Madal Energiatarve

• LoRaWAN – Pikamaa WAN

• SigFox

• LTE-M

Need on lähemalt kirjeldatud artiklis An overview of IOT wireless technologies (ülevaade IoT traadita tehnoloogiatest).

Võrgutasand

Võrgutasandil (Networking) tuleb pikaajaliselt domineerima protokoll IPv6. IPv4 kasutamine on ebatõenäoline, kuid see võib mängida teatud rolli algfaasis. Enamik koduseid IoT-seadmeid, näiteks nutikad lambid, kasutavad praegu IPv4.

Transporditasand 

Transporditasandil (Transport) valitseb Internetis ja veebis TCP. Seda kasutatakse nii HTTP-s kui ka paljudes teistes populaarsetes Interneti protokollides (SMTP, POP3, IMAP4 jne).

MQTT, mis minu arvates muutub üheks peamiseks rakendusprotokolliks sõnumite vahetamiseks, kasutab praegu TCP-d.

Kuid tulevikus ootaksin madalamate kulude tõttu, et UDP saab populaarsemaks IoT jaoks. Tõenäoliselt laieneb MQTT-SN, mis töötab UDP peal. Vaata artikkelit TCP vs UDP .

Rakenduskiht ja sõnumivahetusprotokollid

Olulised omadused IoT protokollide jaoks:

• Kiirus — andmete kogus sekundis.

• Hilinemine — aeg, mis on vajalik sõnumi edastamiseks.

• Energiatarve.

• Turvalisus.

• Saadavus tarkvaralahenduste osas.

Praegu kasutatakse sellel tasandil aktiivselt kahte peamist protokolli: HTTP ja MQTT.

HTTP on tõenäoliselt kõige tuntum protokoll, mis mängib olulist rolli veebi (WWW) aluses. See jääb IoT jaoks oluliseks, kuna seda kasutatakse REST API-de jaoks — peamiseks mehhanismiks, millega veebirakendused ja teenused suhtlevad. Kuid tänu kõrgetele kuludele on ebatõenäoline, et HTTP saab peamiseks IoT protokolliks, kuigi see jääb veebis laialdaselt kasutatavaks.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) on muutunud peamiseks sõnumivahetusprotokolliks IoT-s, tänu oma kergusele ja lihtsusele. Vaata artiklit Introduction to MQTT for beginners (Sissejuhatus MQTT-le algajatele).

HTTP ja MQTT võrreldes IoT-ga

MQTT muutub kiiresti IoT-rakenduste de facto standardiks. Seda toetab selle kergus ja kiirus võrreldes HTTP-ga, samuti asjaolu, et see on 'ühe-paljude' protokoll, mitte 'ühe-kahe' (HTTP).

Paljud kaasaegsed veebirakendused kasutaksid rõõmuga MQTT-d HTTP asemel, kui see oleks olnud kergesti kättesaadav nende arendamise ajal.

Hea näide on teabe edastamine mitmele kliendile, näiteks rongide / busside / lennukite saabumise ja lahkumise kohta. Sellises stsenaariumis on 'ühe-kahe' protokoll, nagu HTTP, suuremad kulud ja see koormab veebiservereid. Nende veebiserverite mastaapimine võib olla keeruline. MQTT korral on kliendid ühendatud maakleriga, keda on lihtne lisada koormuse tasakaalustamiseks. Vaadake sellest videotutvustust HTML andmete uuesti edastamine MQTT kaudu (lennujaama saabumiste näide) ja artiklit MQTT vs HTTP IoT jaoks.

Teised sõnumite edastamise protokollid

HTTP ei olnud loodud IoT-rakenduste jaoks, kuid nagu mainitud, kasutatakse seda laialdaselt veel mõnda aega, tänu selle laialdasele kasutusele. API.

Peaaegu kõik IoT platvormid toetavad nii HTTP-d kui ka MQTT-d.

Siiski on ka teisi protokolle, mida võiks kaaluda.

Protokollid

• MQTT — (Message Queuing Telemetry Transport). Kasutab TCP/IP-d. Mudel „väljaandja-tellija“ nõuab sõnumibrokkert.

• AMQP — (Advanced Message Queuing Protocol). Kasutab TCP/IP-d. Mudelid „väljaandja-tellija“ ja „punkt-punkt“.

• COAP — (Constrained Application Protocol). Kasutab UDP-d. Arendatud spetsiaalselt IoT jaoks, kasutab HTTP-sarnast päring-vastus mudelit. RFC 7252.

• DDS — (Data Distribution Service) 

Selles artiklis käsitletakse peamisi protokolle ja nende rakendusi. Selle artikli järeldus on, et IoT kasutab protokollide komplekti, sõltuvalt nende kavandatust.

Siiski, kui vaadata tagasi Interneti varajastele aastatele, oli protokoll HTTP, mis hiljem domineerima hakkas, vaid üks paljusid protokolle.

Kuigi HTTP-d ei olnud algselt mõeldud failide ja e-kirjade edastamiseks, kasutatakse seda tänapäeval mõlema jaoks.

Ootan, et IoT-s juhtub sõnumiedastusprotokollidega sama: enamik teenuseid kasutab ühte valdavamat protokolli.

Allpool on Google Trends'i graafikud, mis näitavad, kuidas on MQTT, COAP ja AMQP populaarsus viimastel aastatel muutunud.

Google Trends ülevaade 

Protokollide tugi platvormidel

• Microsoft Azure — MQTT, AMQP, HTTP ja HTTPS

• AWS — MQTT, HTTPS, MQTT veebisoketite kaudu

• IBM Bluemix – MQTT, HTTPS, MQTT

• Thingworx — MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

Kokkuvõte

Kanalite (tasemed 1 ja 2) ning rakenduskihtide (tase 4) tasemel on muutusi kõige rohkem.

Võrgutasemed ja transporttasemed jäävad tõenäoliselt muutumatuks.

Rakenduslikul tasandil kasutavad IoT komponendid sõnumite edastamise protokolle. Kuigi me oleme endiselt IoT arengus varases staadiumis, on tõenäoline, et üks või kaks sõnumite edastamise protokolli eristuvad.

Viimastel aastatel on MQTT saanud kõige populaarsemaks, ja sellele keskendun ma praegu selles veebisaidis.

HTTP jääb samuti kasutusse, kuna see on juba hästi integreeritud olemasolevatesse IoT platvormidesse.

Sellega on kõik. Kutsume teid registreeruma tasuta demoklassile teemal „Küsimus-robot kiirete käskude seadmele“.

Loe edasi:

• Miks kaitsmata tarbijate asjade maailma süsteemid on nüüd tõsine äri probleem

Allikas: habr.com